計(jì)算機(jī)組成原理講義

1、6.3 總線(xiàn)的仲裁、定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式總線(xiàn)的仲裁總線(xiàn)的定時(shí)總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送模式6.3.1 總線(xiàn)的仲裁主方（主設(shè)備）可以啟動(dòng)一個(gè)總線(xiàn)周期的功能模塊，如CPU、I/O設(shè)備。從方（從設(shè)備）被主方指定與其通信的功能模塊，如存儲(chǔ)器、CPU。為什么要仲裁？為解決多個(gè)主設(shè)備同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線(xiàn)控制權(quán)，必須有總線(xiàn)仲裁部件。總線(xiàn)占用期：主方持續(xù)控制總線(xiàn)的時(shí)間注意某一時(shí)刻，只能有一個(gè)主設(shè)備控制總線(xiàn)，其它設(shè)備此時(shí)可以作為從設(shè)備某一時(shí)刻，只能有一個(gè)設(shè)備向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，但可以有多個(gè)設(shè)備從總線(xiàn)接收數(shù)據(jù) 常用的仲裁策略A.公平策略在多處理器系統(tǒng)中對(duì)各CPU模塊的總線(xiàn)請(qǐng)求采用公平的原則來(lái)處理。B.優(yōu)先級(jí)策略I/O模塊的總線(xiàn)請(qǐng)求采用優(yōu)先級(jí)

2、策略。按照總線(xiàn)仲裁電路的位置不同，仲裁方式分成：集中式仲裁分布式仲裁集中式仲裁集中式仲裁中每個(gè)功能模塊有兩條線(xiàn)連到中央仲裁器：一條是送往仲裁器的總線(xiàn)請(qǐng)求信號(hào)線(xiàn)BR，一條是仲裁器送出的總線(xiàn)授權(quán)信號(hào)線(xiàn)BG。鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式獨(dú)立請(qǐng)求方式鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式總線(xiàn)控制部件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG數(shù)據(jù)線(xiàn)地址線(xiàn)BS -總線(xiàn)忙BR-總線(xiàn)請(qǐng)求BG-總線(xiàn)同意I/O接口1鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式的優(yōu)點(diǎn)只用很少幾根線(xiàn)就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線(xiàn)仲裁很容易擴(kuò)充設(shè)備。鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式的缺點(diǎn)對(duì)詢(xún)問(wèn)鏈的電路故障很敏感；查詢(xún)鏈的優(yōu)先級(jí)是固定的，如果優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備出現(xiàn)頻繁的請(qǐng)求時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備可能長(zhǎng)期不能使用總線(xiàn)

3、 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式 0BS -總線(xiàn)忙BR-總線(xiàn)請(qǐng)求總線(xiàn)控制部件數(shù)據(jù)線(xiàn)地址線(xiàn)I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n設(shè)備地址I/O接口1 計(jì)數(shù)器設(shè)備地址 1優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)先次序可靈活變動(dòng)。固定優(yōu)先級(jí)：計(jì)數(shù)器每次初值均為0。循環(huán)優(yōu)先級(jí)：計(jì)數(shù)器從中止點(diǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)(優(yōu)先級(jí)相等)獨(dú)立請(qǐng)求方式排隊(duì)器排隊(duì)器總線(xiàn)控制部件數(shù)據(jù)線(xiàn)地址線(xiàn)I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線(xiàn)同意BR-總線(xiàn)請(qǐng)求特點(diǎn)：每個(gè)設(shè)備均有一對(duì)BR和BG線(xiàn)，通過(guò)自身的BR線(xiàn)請(qǐng)求，由中央仲裁器經(jīng)判優(yōu)發(fā)出BGi以使優(yōu)先設(shè)備獲得總線(xiàn)使用權(quán)。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，對(duì)優(yōu)先次序的控制靈活。缺點(diǎn)：控制線(xiàn)數(shù)量多。分布式仲裁

4、分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個(gè)潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁器。當(dāng)它們有總線(xiàn)請(qǐng)求時(shí)，把它們唯一的仲裁號(hào)發(fā)送到共享的仲裁總線(xiàn)上，每個(gè)仲裁器將仲裁總線(xiàn)上得到的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比較。如果仲裁總線(xiàn)上的號(hào)大，則它的總線(xiàn)請(qǐng)求不予響應(yīng)，并撤消它的仲裁號(hào)。最后，獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線(xiàn)上。 6.3.2 總線(xiàn)的定時(shí)總線(xiàn)上信息傳送過(guò)程的五個(gè)階段： 請(qǐng)求總線(xiàn)，總線(xiàn)仲裁，尋址，信息傳送，狀態(tài)返回(或錯(cuò)誤報(bào)告)。定時(shí)：指事件出現(xiàn)在總線(xiàn)上的時(shí)序關(guān)系。同步定時(shí)異步定時(shí) 同步定時(shí)在同步定時(shí)協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線(xiàn)上的時(shí)刻由總線(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定。每個(gè)功能模塊什么時(shí)候發(fā)送或接收信息都由統(tǒng)一時(shí)鐘規(guī)定。優(yōu)點(diǎn)：時(shí)序規(guī)整，控

5、制簡(jiǎn)單，具有較高的傳輸頻率，適用于總線(xiàn)長(zhǎng)度較短、各功能模塊存取時(shí)間比較接近的情況缺點(diǎn)：不適合存取時(shí)間差別大的模塊異步定時(shí)在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線(xiàn)上的時(shí)刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應(yīng)答式或互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上。 特點(diǎn)：無(wú)公共時(shí)鐘信號(hào)，可變長(zhǎng)度的總線(xiàn)周期優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，適用于存取時(shí)間差別大的模塊之間的通信。缺點(diǎn)：增加總線(xiàn)的復(fù)雜性和成本。異步時(shí)序的互鎖關(guān)系不互鎖半互鎖全互鎖主設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)求回答主設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間關(guān)閉請(qǐng)求信號(hào)，而從設(shè)備在收到請(qǐng)求信號(hào)后發(fā)出回答信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉回答信號(hào)。主設(shè)備在收到從設(shè)備的回答信號(hào)后才結(jié)束請(qǐng)求信號(hào)，但從設(shè)備的回答信號(hào)是由從設(shè)備本身

6、定時(shí)決定的主設(shè)備在收到從設(shè)備的回答信號(hào)后結(jié)束請(qǐng)求信號(hào)，而從設(shè)備在獲知請(qǐng)求信號(hào)后便撤銷(xiāo)其回答信號(hào)例3 某CPU采用集中式仲裁方式，使用獨(dú)立請(qǐng)求與菊花鏈查詢(xún)相結(jié)合的二維總線(xiàn)控制結(jié)構(gòu)。每一對(duì)請(qǐng)求線(xiàn)BRi和授權(quán)線(xiàn)BGi組成一對(duì)菊花鏈查詢(xún)電路。每一根請(qǐng)求線(xiàn)可以被若干個(gè)傳輸速率接近的設(shè)備共享。當(dāng)這些設(shè)備要求傳送時(shí)通過(guò)BRi線(xiàn)向仲裁器發(fā)出請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)的BGi線(xiàn)則串行查詢(xún)每個(gè)設(shè)備，從而確定哪個(gè)設(shè)備享有總線(xiàn)控制權(quán)。請(qǐng)分析說(shuō)明演示圖所示的總線(xiàn)仲裁時(shí)序圖 圖6.11 某CPU總線(xiàn)仲裁時(shí)序圖總線(xiàn)請(qǐng)求BRi總線(xiàn)同意BGi設(shè)備回答SACK總線(xiàn)忙 BBSY【解】：設(shè)備請(qǐng)求使用總線(xiàn) BRi; CPU同意后，以BGi回答;設(shè)備接收到BGi，使BRi，并回答SACK;CPU接到SACK后， BGi作為回答;在BBSY為“0”時(shí)上升BBSY設(shè)備獲得總線(xiàn)使用權(quán);用完總線(xiàn)后，下降BBSY和SACK，釋放總線(xiàn)。6.3.3 總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送模式1、讀、寫(xiě)操作讀操作由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程；寫(xiě)操作由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。2、塊傳送操作CPU存儲(chǔ)器之間數(shù)據(jù)塊傳送采用一次多倍字長(zhǎng)的猝發(fā)式傳送。3、寫(xiě)后讀、讀修改寫(xiě)操作只給出地址一次，或進(jìn)行先寫(xiě)后讀操作（用于校驗(yàn)）或進(jìn)行先讀后